Aide-mémoire de génie chimique - 3ème édition

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Cet aide-mémoire très complet couvre tout le champ de cette discipline et fournit des données aussi bien théoriques (symboles, thermodynamique, etc.), pratiques (description des opérations unitaires) que technologiques (appareillage). Cette 3ème édition ajoute des informations sur le transfert de masse et de chaleur dans l'industrie chimique et aborde les biotechnologies.
Publié le : mercredi 10 février 2010
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EAN13 : 9782100548453
Nombre de pages : 640
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1.1
1INTRODUCTION AUX OPÉRATIONS UNITAIRES
Généralités
Le génie chimique se livre à l’étude, à la construction, à la détermination de l’agencement, aux conditions opératoires et au fonctionnement de l’appareillage, souvent très spécial et très complexe, nécessaires à la ges-tion des réactions chimiques industrielles tout au long de leur déroule-ment. Cette démarche relève de l’ingénierie et du bureau d’études. Elle s’appuie sur les connaissances fondamentales ou, à défaut, sur des corré-lations établies à partir de l’expérience ; un aspect plus technique concerne le choix des appareils et des matériaux avec lesquels seront réalisées les installations. Le génie chimique fait appel à des disciplines très diverses telles que : la thermodynamique chimique, qui permet de prévoir la possibilité et les caractéristiques énergétiques des réactions ; la cinétique physique, qui s’intéresse aux transformations de la matière, de la chaleur et de la quantité de mouvement; la dynamique des systèmes, qui étudie le comportement transitoire et la commande automatique des processus ; l’optimisation, qui tient compte des paramètres d’ordre technique et économique pour réaliser un objectif déterminé. Le génie chimique n’est pas une simple combinaison de physique, de mathématiques et de chimie appliquée, c’est aujourd’hui une discipline autonome qui a développé ses propres concepts. Il ne doit pas non plus être confondu avec la chimie industrielle, qui s’intéresse plus spécifiquement © Dunod – La photocopie non autorisée est un délit.
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1  Introduction aux opérations unitaires
1.2 Historique
aux enchaînements de réactions, aux produits et aux conditions à mettre en œuvre dans le procédé (catalyseurs, pressions, températures). L’aspect fondamental du génie chimique concerne les méthodes géné-rales et les principes de base permettant de décrire les transformations et d’analyser le fonctionnement des procédés à différents niveaux : processus physico-chimiques élémentaires mis en jeu, unités d’opérations (réac-teurs, échangeurs, séparateurs, etc.) et grands systèmes résultant d’une association complexe de plusieurs unités d’opérations pour constituer un atelier ou une usine. Ces méthodes relèvent des sciences du génie chimique. Enfin un ensemble de règles et des procédures permettent de concevoir, dimensionner, construire et faire fonctionner les dispositifs dans lesquels seront conduites les opérations.
1.2
Historique
La date de naissance du génie chimique moderne peut être située entre 1915, où A. D. Little définit le concept d’opération unitaire, et 1923, où ce concept est repris dans un ouvrage de W. H. Walker, W. K. Lewis et W. H. Mc Adams,Principles of Chemical Engineering. Pour la première fois, des opérations concernant le transport des fluides, les échanges de cha-leur, les changements de phase, les techniques de séparation, font l’objet d’études en soi et de théories quantitatives. La seconde révolution a lieu en 1960 avec la publication du livreTransport PhenomenaR. B. Bird, de W. E. Steward et E. N. Lightfoot, où sont analysés en profondeur les processus élémentaires de transport de matière, d’énergie et de quantité de mouvement qui sont à la base des opérations unitaires. Vers la même époque, le couplage de ces processus avec la réaction chimique est pris en compte, dans une théorie générale des réacteurs chimiques. C’est une étape décisive vers une compréhension fondamentale et unitaire du fonctionnement des procédés. Simultanément, le développement des moyens de traitement de l’information ouvre la voie aux modèles mathé-matiques et aux représentations conceptuelles abstraites qui caractérisent le génie chimique moderne. Les années 1970-1980 voient un retour à une meilleure prise en compte des contraintes socio-économiques, en particulier la protection de l’environnement. Aujourd’hui, la crise de
1  Introduction aux opérations unitaires
1.3 Opérations de génie chimique
l’énergie (recherche de substituts au pétrole, utilisation rationnelle de l’énergie), la nécessité de développer une chimie fine à haute valeur ajoutée et l’avènement prévisible des biotechnologies offrent de nombreuses perspectives au développement du génie chimique.
1.3
Opérations de génie chimique
La traduction en termes industriels d’un mode opératoire par une struc-ture constituée du réacteur chimique et de l’ensemble des opérations unitaires définit leprocédé. L’analyse d’un procédé montre que les phases de réaction proprement dites (c’est-à-dire celles qui aboutissent à une transformation de la nature de la molécule) ne constituent qu’une partie de l’ensemble du procédé mis en œuvre. Elles sont presque toujours précédées, accompagnées et/ ou achevées par des phases de traitement physico-chimique permettant de faciliter l’introduction des réactifs, le bon déroulement des opéra-tions, l’extraction des produits résultant des réactions. Ces différentes phases peuvent intervenir séparément ou simultanément dans une zone déterminée du dispositif et au moment choisi comme le plus avantageux pour la bonne marche des opérations. Cet enchaînement d’opérations types, dont le principe se retrouve d’un procédé à l’autre, quelle que soit la nature du produit fabriqué, a conduit à l’idée de diviser le génie chimique en deux parties principales : – lesréacteurs chimiques, qui permettent à une réaction chimique de s’accomplir ; – lesopérations unitaires, grâce auxquelles on prépare les réactifs et on effectue les séparations des constituants d’un mélange qui permettent ainsi le bon fonctionnement du réacteur chimique.
1.4
Remarques et conclusions
Un certain nombre de sujets traités dans cet ouvrage ne sont pas des opérations unitaires à proprement parler, ni même toujours du génie chimique, mais leur présentation préalable est indispensable ici en raison © Dunod – La photocopie non autorisée est un délit.
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1  Introduction aux opérations unitaires
1.4 Remarques et conclusions
de leur importance dans le bilan énergétique des installations. Il s’agit soit de la physique à la base du génie ch imique, soit de technologies non spé-cifiques, mais présentant un grand intérêt pour l’industrie chimique : – la dynamique des fluides et, à la suite, le stockage et le déplacement des fluides ; – la transmission de la chaleur, qui intervient dans presque toutes les opérations unitaires ; – les équilibres physiques entre phases, qui sont des notions fondamen-tales pour la compréhension de beaucoup d’opérations unitaires ; – le mécanisme des réactions chimiques et la catalyse.
En conclusion, pour transformer un produit à partir d’une matière dis-ponible, on doit établir les structures chimiques fondamentales, autre-ment dit le procédé, choisir le réacteur, définir la ou les opérations unitaires et enfin envisager son contrôle et sa commande. Le parcours de toutes ces étapes constitue la procédure de traitement d’un problème de génie chimique. Vu les exigences de la compétition industrielle, il est évi-dent que la tâche de chaque ingénieur de génie chimique est d’optimiser le procédé afin de concevoir et réaliser des installations de production qui soient de plus en plus performantes et avec un maximum de sécurité. Toutes les installations de l’industrie chimique ne sont pas réservées à la production d’un seul produit ; les plus nombreuses sont polyvalentes afin de pouvoir s’adapter à la demande. Elles offrent donc la possibilité de mettre en œuvre des procédés différents. Dans certains cas excep-tionnels, cette polyvalence peut être très complète (installation pilote), mais elle est coûteuse puisqu’elle complique les appareils et leur fonction-nement, et pèse sur les coûts de production. Avant le passage à l’échelon industriel, l’utilisation d’une installation pilote est fréquente. Cette étape permet de vérifier la fiabilité du système et d’affiner la recherche du meilleur rendement. Accessoirement, les substances obtenues dans l’installation pilote permettent d’anticiper la production industrielle et d’effectuer des essais d’utilisation, et la déter-mination des propriétés physico-chimiques et toxicologiques. L’installa-tion définitive tient compte de ces études préliminaires ; elle pourra être modifiée pour remédier à des anomalies ou devenir plus performante.
1  Introduction aux opérations unitaires
1.4 Remarques et conclusions
Les méthodes imaginées pour industrialiser les procédés chimiques peu-vent être adaptées à tous les procédés industriels de transformation de la matière et de l’énergie. Il s’agit d’identifier les processus physico-chimiques élémentaires, de décrire l’écoulement des fluides et des solides, d’établir des modèles mathématiques qui permettent de comprendre les processus, de choisir et de dimensionner les équipements et finalement de conduire les installations de manière optimale, sans oublier les objectifs économiques. Il faut encore souligner que le génie chimique, science jeune, a rapide-ment évolué et provoqué la création de toute une série de sciences paral-lèles telles que legénieagroalimentaire, legénie environnemental, legénie nucléaire, legénie biochimique, etc. On a ainsi aujourd’hui tendance à parler degénie des procédés, c’est-à-dire l’application, à d’autres domaines, de la méthodologie propre du génie chimique. Cette démarche générale du « génie des procédés » est très novatrice car l’industrie était organisée historiquement par « métiers » autour des filières de produits.
© Dunod – La photocopie non autorisée est un délit.
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2.1
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OPÉRATIONS UNITAIRES
Généralités
Les opérations sont ditesunitairescar elles sont fondées sur des règles de nature physique à caractère général et traduisent des transformations simples. Le principe fondamental de toute opération unitaire est toujours le même, à savoir la préparation et la mise en contact intime des phases en présence pour assurer le développement des réactions, les mécanismes de transport et de transfert de masse (ou matière), de chaleur et de quan-tité de mouvement qui ont lieu durant la chaîne de transformation, ainsi que la séparation des constituants du mélange résultant. Les opérations unitaires représentent donc un concept utilisé par les ingénieurs chimistes afin de permettre de façon optimale la transforma-tion des substances brutes déterminées en un ou plusieurs produits (naturels ou artificiels) commercialisables ou en produits de base desti-nés à une autre usine chimique. Le choix d’une opération unitaire dépend de différentes considérations : – la possibilité effective de séparation sur des bases thermodynamiques ; – la possibilité offerte par la cinétique physique d’avoir un transfert plus ou moins rapide selon la nature des phases en présence ; – la volonté d’utiliser préférentiellement certaines sources d’énergie (par exemple l’énergie électrique) ; – le souhait d’économiser de l’énergie ou de diminuer les frais de fonc-tionnement ainsi que celui d’abaisser les coûts d’investissement. © Dunod – La photocopie non autorisée est un délit.
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2  Opérations unitaires
2.2 Classification des opérations unitaires
Toute une série d’opérations, ditesopérations auxiliaires, ne figurent pas dans cet ouvrage, bien qu’elles existent dans beaucoup de procédés et dans toutes les usines de production chimique. Il s’agit : – du transport et du stockage de produits solides, liquides ou gazeux ; – du captage et du traitement de l’eau pour divers procédés, ainsi que de l’assainissement des eaux résiduaires ; – de la production de la vapeur, du froid et du vide ; – de la mesure et du contrôle de divers paramètres (température, pression, débits, niveaux, concentrations, etc.) ; – des méthodes d’analyse élémentaires destinées à l’identification et au dosage des éléments présents dans une substance.
2.2
Classification des opérations unitaires
Une classification universelle et exhaustive satisfaisante est difficile. Cependant, malgré l’appareillage très varié nécessaire pour la production industrielle, il est possible de classifier les opérations unitaires de plu-sieurs manières.
2.2.1
Classification selon les phénomènes physiques mis en œuvre
Les principales opérations mettant essentiellement en jeu des processus physiques, on peut ainsi les rattacher aux deux grandes familles suivantes.
Opérations unitaires avec ou sans transfert de matière À leur tour les opérations unitaires peuvent se diviser en deux grandes classes : – les processus de séparation par diffusion (évaporation, distillation, absorption, sublimation, adsorption, etc.) qui conviennent aux alimen-tations formées par mélanges homogènes ; – les processus sans transfert de matière qui sont d’une part les opérations de simple séparation mécanique des mélanges hétérogènes (filtration, cyclonage, centrifugation), d’autre part les opérations modifiant la granulométrie de solides (broyage, frittage).
2  Opérations unitaires
2.2 Classification des opérations unitaires
Opérations unitaires avec ou sans transfert de chaleur Souvent, les opérations unitaires nécessitent un transfert de chaleur, ainsi il est possible de réaliser une classification en se rapportant aux quantités d’énergie thermique mises en jeu. On distingue : – les opérations se déroulant sans (ou pratiquement sans) transfert de cha-leur, telles que :  ultrafiltration, osmose inverse, extraction par liquide (pour un trans-fert de masse entre phases fluides) ;  adsorption, échange d’ions, chromatographie en phase liquide, lixi-viation (pour un transfert de masse entre phases fluides et solides) ; – les opérations nécessitant d’im portants échanges de chaleur :  distillation, évaporation, séchage des liquides (pour un transfert de masse entre phases fluides) ;  cristallisation, lyophilisation, cryoconcentration (pour phases fluides-solides) ; – les opérations mixtes qui ont lieu de manière isotherme ou non, selon les concentrations considérées et qui intéressent surtout les épurations en présence d’une phase gazeuse inerte en excès :  absorption, désorption (phases fluides) ;  adsorption en phase vapeur, chromatographie en phase gazeuse, séchage des solides.
Remarque
Il est évident que certaines opérations mettent en œuvre des phénomènes thermiques et de matière : elles sont rangées dans le groupe correspondant au phénomène principal mis en jeu.
2.2.2
Classification selon les fonctions des opérations unitaires
Pour plus de clarté, on envisage, dans la suite, les opérations unitaires sous l’angle d’une classification à partir de leur fonction telle qu’elle est résumée dans le tableau 2.1. © Dunod – La photocopie non autorisée est un délit.
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